276

16. Расчет электрических нагрузок.

Существует несколько методов расчетов электрических нагрузок. Их применение зависит от отрасли народного хозяйства, задач проектирования, долгосрочности планирования, срока службы проектируемой установки и от других факторов. Так, в горной промышленности применяется метод коэффициента спроса и коэффициента максимума, метод удельной мощности и другие. В других отраслях применяют методы коэффициента использования, коэффициента максимума, коэффициента загрузки. Для предварительного и прогнозного проектирования используются приближенные методы, позволяющие с достаточной точности определить основные показатели электроснабжения (например, метод удельной мощности).

Одной из первых и основополагающих частей проекта электроснабжения объекта является определение ожидаемых электрических нагрузок на всех ступенях электрических сетей. Именно нагрузки определяют необходимые технические характеристики элементов электрических сетей – сечения жил и марки проводников, мощности и типы трансформаторов, электрических аппаратов и другого электротехнического оборудования. Завышение ожидаемых нагрузок при проектировании по сравнению с реально возникающими приводит к перерасходу материалов проводников и средств, вложенных в избыточную мощность электрооборудования. Занижение – к излишним потерям мощности в сетях, перегреву, повышенному износу и сокращению срока службы электрооборудования.

Правильное определение электрических нагрузок обеспечивает технически и экономически обоснованный выбор основного и вспомогательного оборудования, средств компенсации реактивной мощности, устройств регулирования напряжения, а также релейной защиты и автоматики электрических сетей.

По указанным причинам ожидаемые электрические нагрузки желательно определять при проектировании возможно точнее. Однако вследствие недостаточной полноты, точности и достоверности исходной информации обо всех многочисленных случайных факторах, формирующих нагрузки, последние не могут быть определены с высокой точностью. Обычно при определении ожидаемых нагрузок считают допустимыми ошибки в  10%.

Графики нагрузок.

Рассматриваются следующие виды графиков нагрузок: суточные и годовые, летние и зимние, активной и реактивной мощности. В справочниках приводятся типовые графики нагрузок по различным отраслям промышленности. На графиках указывается уровень мощности по времени суток или года, по которым можно определить период пиковых нагрузок (максимума нагрузок) и коэффициент заполнения графика.

Годовой график Суточные графики предприятия и ….. шахты

Рисунок 1 - Примеры годового (а) и суточного (б) графиков активной и реактивной нагрузок.

Графики нагрузок одного и того же потребителя зимой и летом различаются в связи с понятными причинами.

Рисунок 2 - Суточные графики нагрузок города зимой и летом.

В различных отраслях промышленности графики нагрузок различаются наличием одного или нескольких пиков или равномерностью нагрузки в течение суток.

а б в

Рисунок 3 - Графики нагрузок в станкостроительной ( а ), автомобильной ( б ), и химической ( в ) промышленности. (1-активная, 2-реактивная)

Различают следующие графики активных и реактивных нагрузок: суточные и годовые по продолжительности, характерные для отдельных отраслей промышленности.

Режим работы потребителей электроэнергии изменяется в часы суток, дни недели и месяцы года, при этом изменяется и нагрузка всех звеньев системы энергоснабжения. Эти изменения изображают в виде графиков нагрузок, на которых по оси ординат откладывают активные (кВт) и реактивные (квар) нагрузки, а по оси абсцисс—время, в течение которого удерживаются эти нагрузки.

Суточные графики могут быть построены для отдельных звеньев системы электроснабжения (сетей, цеховых и заводских подстанций, отдельных установок), а также для всей энергетической системы или ее части, обеспечивающей электроэнергией определенный район.

Чтобы характеризовать работу отдельных установок и устройств в течение года, необходимо иметь основные суточные графики года—зимний и летний. Наибольшую нагрузку по суточному графику называют максимальной суточной нагрузкой.

Максимальной Р макс и минимальной Р мин годовыми нагрузками считаются соответственно нагрузки зимнего и летнего графиков, которые учитывают при выборе мощности трансформаторов.

Площадь суточного графика представляет собой количество электроэнергии (кВт-ч), выработанной или потребляемой данной установкой за сутки.

Среднюю суточную мощность нагрузки Рср (кВт) определяет, зная количество электроэнергии (кВт-ч), выработанной или потребленной за сутки:

Pср сут = W/t =W/24

Годовой график по продолжительности показывает длительность работы электроустановки в течение года с различными нагрузками. На этом графике по оси абсцисс откладывают продолжительность нагрузки в течение года (от 0 до 8760 ч), а по оси ординат—соответствующие нагрузки (%).

Площадь годового графика по продолжительности представляет собой количество электроэнергии W (кВт-ч), выработанной или потребленной электрической установкой в течение года (8760 ч).

Средняя годовая мощность нагрузки (кВт)

P ср год = W / t =W / 8760

Действительные графики нагрузок отдельных промышленных предприятий учитывают время начала и конца отдельных смен, начало и длительность обеденных перерывов, величину колебаний нагрузки на отдельных технологических установках и др.

Систематическое наблюдение за графиками нагрузки и правильное их построение обеспечивают повышение энергетических показателей при эксплуатации энергетического хозяйства промышленных предприятий.

Чтобы построить суммарный суточный график нагрузки промышленного предприятия, необходимо подсчитать нагрузки потребителей Р, и учесть потери ∆P_t. Последние делятся на переменные, зависящие от нагрузки (нагрев проводов сети и обмоток трансфо­рматоров), и постоянные, не зависящие от нагрузки (нагрев стали трансформаторов).

Нагрузка подстанции в любой момент суток определяется нагрузкой потребителя и потерями в сети и трансформаторах:

Р п.ст=Р + ∆Р_t

Коэффициенты использования и спроса.

В практических расчетах часто применяют методы расчета с помощью коэффициента использования Ки и коэффициента спроса Кс. Эти коэффициенты различаются по содержанию и по области применения. Коэффициент спроса применяется в горной промышленности.

Коэффициент использования – это отношение средней активной мощности за смену Рсм. к номинальной (установленной) мощности группы приемников Рном.

Ки = Рср. см. / Рном.

Коэффициент спроса – это отношение максимальной активной мощности Рмакс. к номинальной мощности приемника или группы приемников Рном.:

Кс = Рмакс. / Рном.

Различают коэффициенты использования по активной мощности, реактивной мощности и по току. Наибольшее распространение имеет первый из этих коэффициентов – по активной мощности.

Коэффициент использования активной мощности за смену может быть определен как отношение энергии э_а , потребленной приемником за смену, к энергии э_а.ном. , которая могла быть потреблена приемником за смену при номинальной загрузке его в течение смены:

К оэффициент включения k_в электроприемника характеризует степень использования электроприемника по времени:

где время включения t_в приемника электроэнергии за цикл t_ц складывается из времени работы t_р и времени холостого хода t_х.х : t_в = t_р + t_х.х .

Коэффициент включения электроприемника соотносится с вероятностью включения приемника в тот или иной период времени. Коэффициент включения различен для разных периодов суток и определяется его назначением и характером участия в технологическом процессе.

Коэффициент загрузки отдельного электроприемника определяется как отношение средних за время включения активной, реактивной мощности или тока к их номинальным величинам. Кз = Рср. / Рном.

С редняя активная мощность за время включения р_с.в больше средней мощности за цикл р_с.ц и обратно пропорциональна отношению времени включения к общей продолжительности цикла:

Тогда коэффициент загрузки по активной мощности

Если приближенно считать, что средняя нагрузка за цикл р_с.ц равна среднесменной р_см , что характерно для периодических, циклических и нециклических графиков, тогда

П оследние выражения позволяют записать аналогичные формулы для групповых графиков:

Коэффициент формы графика нагрузки – это отношение среднеквадратичной (эффективной) р_э , Р_э нагрузки к средней р_с , Р_с за данный период времени:

Коэффициент формы графика нагрузки группы из n приемников определяется так же:

Эффективное число приемников:

Т огда коэффициент формы

Если все приемники имеют одинаковую номинальную мощность р_{ном ,} то

В общем случае n_э  n.

Если все приемники группы имеют однородный график работы, т.е. k_фi = k_ф, тогда

П ри n_э  коэффициент формы K_ф  1, это означает, что при неограниченном возрастании числа приемников групповой график для стационарного режима становится постоянным. Для реальных графиков нагрузки в период максимума нагрузок, K_ф = 1,02 …1,25, однако для большинства объектов K_ф = 1,05 …1,15.

Для всех отраслей промышленности разработаны научно обоснованные величины коэффициентов использования и мощности, а для горной—коэффициента спроса, которыми рекомендуется руководствоваться при расчетах электрических нагрузок.

Продолжительность включения.

Для силовых электроприемников различают три режима работы: длительный, кратковременный и повторно – кратковременный.

При работе в длительном режиме достигается тепловое равновесие и устанавливается определенная температура электродвигателя. Кратковременный режим характеризуется тем, что после кратковременного включения и нагревания электроприемника его температура за период последующей паузы понижается до температуры окружающей среды. Наконец, повторно – кратковременный режим (ПКР), в ходе которого период включения длительностью t_в чередуется с паузой продолжительностью t_п , так же как и длительный режим, приводит к постепенному нагреванию электроприемника до установившейся температуры. Однако процесс нагревания в этом случае по сравнению с длительным режимом при той же нагрузке замедляется, и установившийся перегрев снижается. Величиной, характеризующей ПКР, является продолжительность включения (ПВ):

Часто ПВ определяют в процентах, т.е. ПВ% = ПВ  100. Установлены четыре стандартных значения ПВ, на которые выпускается электрооборудование: 15, 25, 40 и 60%. Длительность цикла при ПКР не должна превышать 10 мин.

Значение ПВ = 1, т.е. (100%), соответствует длительному режиму.

Номинальная (установленная) мощность электроприемников является достоверной исходной величиной для расчета электрических нагрузок, так как она обычно известна. Под номинальной активной мощностью двигателей Р_ном понимается мощность, развиваемая двигателем на валу при номинальном напряжении, а под номинальной активной мощностью других приемников – потребляемая ими из сети мощность при номинальном напряжении.

Паспортная мощность Р_пасп приемников ПКР приводится к номинальной длительной мощности при ПВ = 1:

Под номинальной реактивной мощностью приемника понимается реактивная мощность, потребляемая им из сети при номинальной активной мощности и номинальном напряжении.

Различают следующие типы длительных режимов работы приемников электроэнергии:

1. периодические;

2. циклические;

3. нециклические;

4. нерегулярные.

Первый тип отвечает строго ритмичному процессу с периодом t_ц , производство, как правило, поточное или автоматизированное по жесткой программе.

Второй тип отвечает случаю не поточного и не автоматизированного производства, но цикличного производства. Здесь периодичность нарушена в основном из – за непостоянства длительностей пауз t_п отдельных циклов, однако продолжительность рабочих интервалов t_р цикла и характер соответствующих участков графиков нагрузки остаются практически неизменными. Поэтому здесь можно говорить о средней длительности одного цикла t_с.ц..

Третий тип отвечает тому случаю, когда выполняемые агрегатом повторяющиеся операции строго не регламентированы, вследствие чего характер графика существенно изменяется и на рабочих участках. Однако нециклический график, подобно периодическому и цикличному, характеризуется стабильностью потребления электроэнергии за среднее время цикла.

Четвертый тип отвечает нерегулярному режиму работы, когда условие стабильности потребления электроэнергии уже не соблюдается. Это означает, что технологический процесс имеет неустановившийся характер.

Групповые графики электрических нагрузок.

Групповые графики электрических нагрузок относятся к группе электроприемников, объединенных одной питающей линией. В отличие от индивидуальных графиков групповой график не периодичен. Однако если за какой – то повторяющийся период времени для нескольких графиков одой и той же группы потребителей расход электроэнергии Э_ц оказывается одинаковым, то можно ввести понятие обобщенного цикла Т_ц . При установившемся темпе производства за установившийся цикл принимается длительность смены.

Характер и форма индивидуального графика нагрузки электроприемника определяются технологическим процессом. Групповой график представляет собой результат суммирования графиков отдельных электроприемников, входящих в группу. Однако даже при одинаковых электроприемниках их групповой график может принимать различные очертания в зависимости от ряда случайных факторов, обуславливающих сдвиги во времени работы отдельных электроприемников. Учесть возможность таких сдвигов, как и некоторых изменений характера индивидуальных графиков, а также оценить их влияние на величину максимальной нагрузки группового графика можно при применении для этой цели методов теории вероятностей и математической статистики.

При очень большом числе электроприемников, входящих в группу, суточный график приобретает устойчивый характер. Длительные наблюдения за действующими объектами позволили составить характерные графики для различных отраслей промышленного и сельскохозяйственного производства, а также для городов и поселков. Такие графики называют типовыми и строят их в относительных единицах, выражая нагрузки в разные часы суток в процентах от максимальной нагрузки, принимаемой за 100%.

Расчет мощности и выбор трансформаторов главных и участковых подстанций рудников.

Для выбора типа и количества трансформаторов необходимо знать действующие или проектируемые нагрузки. Существует несколько методик расчетов электрических нагрузок. Их применение зависит от отрасли народного хозяйства, задач проектирования, долгосрочности планирования, срока службы проектируемой установки и от других факторов. Так, в горной промышленности применяется метод коэффициента спроса и коэффициента максимума, метод удельной мощности и другие. В других отраслях применяют методы коэффициента использования, коэффициента максимума, коэффициента загрузки. Для предварительного и прогнозного проектирования используются приближенные методы, позволяющие с достаточной точности определить основные показатели электроснабжения (например, метод удельной мощности).

Одной из первых и основополагающих частей проекта электроснабжения объекта является определение ожидаемых электрических нагрузок на всех ступенях электрических сетей. Именно нагрузки определяют необходимые технические характеристики элементов электрических сетей – сечения жил и марки проводников, мощности и типы трансформаторов, электрических аппаратов и другого электротехнического оборудования. Завышение ожидаемых нагрузок при проектировании по сравнению с реально возникающими приводит к перерасходу материалов проводников и средств, вложенных в избыточную мощность электрооборудования. Занижение– к излишним потерям мощности в сетях, перегреву, повышенному износу и сокращению срока службы электрооборудования.

Правильное определение электрических нагрузок обеспечивает технически и экономически обоснованный выбор основного и вспомогательного оборудования, средств компенсации реактивной мощности, устройств регулирования напряжения, а также релейной защиты и автоматики электрических сетей.

Для определения электрических нагрузок применяют упрощенные или более точные методы. При проектировании горных предприятий вначале производят предварительный расчет электрических нагрузок на основании данных о суммарной установленной мощности отдельных потребителей (подземных участков, стационарных установок, потребителей поверхности), а затем производят окончательный уточненный расчет с использованием конкретных данных о единичных приемниках отдельных технологических процессов производства и всего предприятия в целом.

Нагрузки определяют от низших к высшим ступеням электроснабжения предприятия по отдельным расчетным узлам в сетях напряжением до 1 и выше 1 кВ.

Расчет мощности главных подстанций горных предприятий.

Расчетные электрические нагрузки определяют методом коэффициента спроса в такой последовательности: все намеченные к установке электроприемники объединяют в группы по технологическим процессам и по значению необходимого напряжения; определяют суммарные установленные мощности электроприемников, активные, реактивные и полные электрические нагрузки электроприемников, а также суммарные нагрузки по группам с одинаковым напряжением; производят расчет нагрузок подземных участков; определяют места расположения стационарных и передвижных подстанций и распределяют потребителей электрической энергии по подстанциям; разрабатывают технико-экономические мероприятия по компенсации реактивной мощности; производят выбор мощности и числа трансформаторов ГПП; определяют годовой и удельный расходы электроэнергии по горному предприятию.

Для группы однородных по режиму работы электроприемников расчетную нагрузку (соответственно в кВт, квар, кВА) определяют из выражений:

Рр= Р_ном К_с; (1)

Qр= Рр. tg (2)

Sр = (3)

где Кс – коэффициент спроса конкретной характерной группы электроприемников, принимаемый по справочным материалам;

tg - соответствует cos, определяемому по справочникам.

Количество трансформаторов на ГПП зависит от категории по надежности электроснабжения и мощности подстанции и может быть 1, 2, 3 и более.